细胞间线粒体转移：血小板促进间充质干细胞再生能力的新机制

细胞与细胞间信息和物质的交流方式有很多，介质包括电信号、离子、小分子，大分子、外泌体等。近年研究发现，线粒体也可以在细胞间交换，完整线粒体或线粒体的某些部分可以从一个细胞进入另一个细胞，影响后者功能。细胞间线粒体转移在不同生理和病理条件下发生，与组织损伤修复、缺血性中风、炎症反应、肿瘤发生、移植排斥反应等多种疾病进程密切相关。线粒体可以通过隧道纳米管、微泡分泌等不同的方式从一个细胞向另一个细胞进行转移。最近有一项研究揭示脂肪组织中不同细胞类型间的线粒体转移是系统代谢稳态的重要调控因素（Cell Metabolism，2020 Nov；PMID:33278339）。

间充质干细胞（MSCs）具有较强的增殖潜能以及再生特性，可促进损伤组织的血管再生，在修复组织损伤方面具有广阔的前景。然而，在临床试验中MSCs疗法的功效需要进一步提高。血小板增强MSCs伤口愈合效果是一个常见现象，不少团队致力于探索是否可以使用血小板或含血小板制剂（例如富血小板血浆或血小板裂解液）来促进MSCs的再生潜力。血小板是血液循环成分，在血栓形成，止血，炎症和伤口愈合等多种（病理）生理过程中发挥重要作用。血小板是无核细胞，但具有功能性线粒体。多个研究显示，血小板可以刺激MSCs增殖和促血管形成的能力，提高MSCs的治疗效果。该效应可能归因于生长因子的释放，然而，血小板激活MSCs促伤口愈合能力的确切机制仍不清楚。

MSCs作为供体细胞和受体细胞活跃参与细胞间线粒体转移。受损细胞获得MSCs线粒体可以改善呼吸功能和能量代谢以拯救自身，而线粒体从受损细胞转移到MSCs可刺激后者的保护功能。血小板线粒体是否可以转移到MSCs中进而促进MSCs功能呢？2021年1月4日，法国Paris-Est Cre´teil大学Anne-Marie Rodriguez团队在Cell Metabolism发表题为“Platelets Facilitate the Wound-Healing Capability of Mesenchymal Stem Cells by Mitochondrial Transfer and Metabolic Reprogramming”的研究论文，发现血小板被激活后，将具有呼吸功能的线粒体通过胞吞作用转移至MSCs，提高MSCs胞浆柠檬酸水平，激活脂肪酸从头合成途径，增加MSCs分泌促血管生成因子，促进血管生成，进而增强MSCs对多种组织损伤小鼠模型的治疗效果。这些结果揭示了血小板促进MSCs功能的新机制，指出在临床使用前测试血小板线粒体质量的重要性。

首先，作者确定了线粒体是否能从血小板转移到MSCs。将MSCs与带有绿色MitoTracker荧光标记的人源血小板或红色荧光蛋白标记的小鼠血小板线粒体共培养，结果清楚显示血小板线粒体转移至MSCs内，转移水平取决于共培养实验中的血小板数量。抑制线粒体呼吸功能（鱼藤酮和抗霉素A ROT/AA处理）不影响线粒体转移能力。（见下图，其它实验请参阅原文）

接下来，作者研究了血小板转移来的线粒体是否影响MSCs的促伤口愈合活性。将未经处理的人骨髓MSCs、正常血小板处理的MSCs、线粒体呼吸受抑制的血小板处理的MSCs移植到小鼠伤口中，结果显示血小板处理的MSCs的动物伤口愈合率明显高于单独接受MSCs治疗的动物，证实血小板处理提高了MSCs的治疗效果。重要的一点，抑制线粒体呼吸消除了血小板对MSC的促进效果（见下图，其它实验请参阅原文）。

抑制线粒体呼吸为什么会消除血小板对MSCs的促进效果呢？电镜等检测发现呼吸受抑制的血小板中线粒体形态无明显变化，也不影响线粒体转移的数量。进一步对线粒体转移过程的分析发现，在诸多种可能的转移机制中，血小板来源的线粒体主要通过dynamin依赖性clathrin介导的内吞作用转移至MSCs，并激活受体MSCs中的线粒体融合。然而，这些过程也不受呼吸抑制剂的影响。

接下来，作者们从伤口愈合的角度探索血小板促进MSCs功能的机制，排除了MSCs分化、伤口异位骨形成、炎症等影响伤口愈合的可能因素后，发现血小板来源线粒体可以促进MSCs增殖，但是，这种促增殖作用也不受线粒体呼吸抑制剂影响，所以血小板来源的线粒体不是通过促进MSCs增殖达到促进伤口愈合。类似地，MSCs生存能力也不是原因。

最后，基于课题组以前的发现，通过检测血管内皮细胞生长因子（VEGF）和肝细胞生长因子（HGF）表达，体内体外系列血管生成相关实验，作者们发现血小板来源的线粒体增加MSCs分泌促血管生成因子，促进血管生成，进而增强MSCs对小鼠不同组织损伤的治疗效果。关键的是，线粒体呼吸抑制剂消除了血小板来源线粒体对MSCs促血管生成能力的增强作用（见下图，具体实验请参阅原文）。因此，血小板来源线粒体通过增加MSCs的促血管生成能力增强其伤口愈合能力。

下一个问题是，血小板来源线粒体如何增加MSCs的促血管生成能力？线粒体的首要功能是能量代谢，合成ATP。作者通过MSCs氧化磷酸化（OCR）、细胞外酸化(ECAR)、ATP水平等参数来估计能量代谢状态，认为尽管血小板来源线粒体升高了MSCs中ATP水平，线粒体呼吸抑制剂并未改变ATP水平，而且两组处理MSCs均表现高能量状态，且无差异（？）。因此，能量代谢不是血小板来源线粒体增加MSCs促血管生成的原因。

细胞高能量状态有利于合成反应。线粒体除了产生ATP外，TCA中间产物柠檬酸盐是脂肪酸合成的重要前体。已有研究表明脂肪酸从头合成在血管生成中发挥重要作用。作者进一步检测MSCs中脂肪酸从头合成代谢途径的变化。发现与未处理血小板孵育后，MSCs中脂肪酸从头合成的关键酶（ACLY、ACC，FAS）表达水平显著上调，且FAS抑制剂C75完全消除了血小板促进MSCs分泌VEGF和HGF的效果，证实脂肪酸合成的增加介导了血小板对MSCs的促血管生成作用。

对未经处理和呼吸抑制剂处理的血小板的代谢组学分析发现，呼吸抑制剂引起代谢失调，呼吸链受到抑制，改变了TCA循环，导致柠檬酸水平降低。重要的是，在呼吸抑制剂处理情况下，外源柠檬酸可以恢复血小板增强MSCs脂肪酸合成、血管生成、促伤口愈合的能力（见下图），证实柠檬酸在血小板来源线粒体促进MSCs血管再生中的作用。

简言之，本研究发现了血小板线粒体转递给MSCs，改变MSCs细胞代谢，促进脂肪酸从头合成，进而加强其促血管生成能力，促进伤口愈合的新机制。